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基于Sigma-Delta调制技术的高精度数字磁通门磁强计仿真

陈武祥 王劲东 吕尚 李云鹏 薛永亮 宋伟

陈武祥, 王劲东, 吕尚, 李云鹏, 薛永亮, 宋伟. 基于Sigma-Delta调制技术的高精度数字磁通门磁强计仿真[J]. 空间科学学报, 2022, 42(2): 284-293. doi: 10.11728/cjss2022.02.210121010
引用本文: 陈武祥, 王劲东, 吕尚, 李云鹏, 薛永亮, 宋伟. 基于Sigma-Delta调制技术的高精度数字磁通门磁强计仿真[J]. 空间科学学报, 2022, 42(2): 284-293. doi: 10.11728/cjss2022.02.210121010
CHEN Wuxiang, WANG Jindong, LÜ Shang, LI Yunpeng, XUE Yongliang, SONG Wei. Simulation Research on Precision Digital Fluxgate Magnetometer Based on Sigma-Delta Modulation Technology (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2022, 42(2): 284-293. DOI: 10.11728/cjss2022.02.210121010
Citation: CHEN Wuxiang, WANG Jindong, LÜ Shang, LI Yunpeng, XUE Yongliang, SONG Wei. Simulation Research on Precision Digital Fluxgate Magnetometer Based on Sigma-Delta Modulation Technology (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2022, 42(2): 284-293. DOI: 10.11728/cjss2022.02.210121010

基于Sigma-Delta调制技术的高精度数字磁通门磁强计仿真

doi: 10.11728/cjss2022.02.210121010
基金项目: 空间科学先导专项项目资助(XDA1535010203)
详细信息
    作者简介:

    王劲东:E-mail:wjd@nssc.ac.cn

  • 中图分类号: V476.4

Simulation Research on Precision Digital Fluxgate Magnetometer Based on Sigma-Delta Modulation Technology

  • 摘要: 设计了一种基于1 bit Sigma-Delta环路调制技术的高精度数字磁通门磁强计,建立了数字磁强计信号处理仿真模型,并利用Matlab的Simulink仿真工具开展了数字磁通门磁强计模型的仿真分析,对数字磁强计系统的噪声、线性度、响应速度和频率响应进行了仿真计算。利用本文1 bit Sigma-Delta环路调制技术的数字磁强计在量程超过±105 nT的情况下,系统在1 Hz处的噪声仅为4.66 pT·Hz–1/2,最大线性偏差为0.16 nT,动态响应速度达到2×106 nT·s–1,频率响应带宽超过10 Hz。仿真结果表明,基于1 bit Sigma-Delta环路调制技术的数字磁通门磁强计可以有效降低对A/D转换器精度的要求,在保证性能的前提下大幅度降低了电路复杂程度,提高了系统的可靠性,在深空探测、空间磁场测量等领域具有广泛的应用前景。

     

  • 图  1  磁通门探头仿真波形

    Figure  1.  Simulation waveform of fluxgate probe

    图  2  模拟磁通门磁强计系统

    Figure  2.  Analog fluxgate magnetometer

    图  3  数字磁通门磁强计系统

    Figure  3.  Digital fluxgate magnetometer

    图  4  1 bit数字磁通门磁强计仿真系统

    Figure  4.  Simulation system of 1 bit digital fluxgate magnetometer

    图  5  Mash2-1级联Sigma-Delta调制器

    Figure  5.  Sigma-Delta modulator of Mash2-1 cascaded modulator

    图  6  Sigma-Delta调制器输出信号的SNDR

    Figure  6.  SNDR results of Sigma-Delta modulator

    图  7  1 bit ADC量化结果

    Figure  7.  Sampling and quantization output of 1 bit ADC

    图  8  Sigma-Delta环路调制器

    Figure  8.  Loop Sigma-Delta modulator

    图  9  1 bit ADC中CIC滤波器的补偿滤波器与级联滤波器幅频响应。(a)(0,Fs /2)幅频响应,(b) 20 kHz带宽幅频响应

    Figure  9.  Amplitude-frequency response of CIC filters in 1 bit ADC. (a) Amplitude-frequency response of (0, Fs /2), and (b) response of 20 kHz

    图  10  零磁场输入时的系统噪声

    Figure  10.  System noise with zero magnetic field input

    图  11  系统噪声功率谱密度

    Figure  11.  Power spectrum density of system noise

    图  12  测量磁场的输出线性度(a)以及误差(b)

    Figure  12.  Measurement of output linearity of magnetic field (a) and linearity error (b)

    图  13  系统的频率响应

    Figure  13.  Frequency response of magnetometer system

    图  14  系统的动态响应速度仿真

    Figure  14.  Simulation of dynamic response speed of the system

    表  1  空间探测Sigma-Delta数字磁强计的性能参数

    Table  1.   Performance of Sigma-Delta digital fluxgate magnetometers for space exploration

    探测任务量程/nT数字分辨率/bit噪声功率谱密度/(pT·Hz–1/2)@ 1 Hz非线性偏差
    DAWN±200015.821$ 3.3\times {10}^{-5} $
    THEMIS±40002025$ - $
    MMS±650(小量程)248$ 3\times {10}^{-5} $
    ±10500(大量程)100$ 6\times {10}^{-4} $
    Arase(ERG)$ \pm 8000 $(小量程)20$ 10.5 $$ 1.4\times {10}^{-3} $
    $ \pm 60000 $(大量程)$ 1.8\times {10}^{-4} $
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    表  2  1 bit数字磁通门磁强计各模块参数

    Table  2.   Parameters of modules in 1 bit digital fluxgate magnetometer

    磁通门模块参数
    设计测量带宽/ Hz 10
    设计量程/ nT ±105
    激励频率/ kHz 10
    1 bitADC采样频率/ MHz 20.48
    相敏检波参考频率/ kHz 20
    离散积分器采样频率/ MHz 5.12
    环路Sigma-Delta采样频率/ MHz 5.12
    反馈模拟滤波器通带/ Hz 2500
    输出CIC滤波器抽取率 128
    输出数据频率/ Hz 40
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    表  3  不同参数下环路调制器对系统性能影响的比较

    Table  3.   Performance comparison of different loop modulator parameters

    关键参数调制器频率/
    MHz
    比较器死区
    设置
    噪声/
    ($ \mathrm{p}\mathrm{T}\cdot {\mathrm{H}\mathrm{z}}^{-1} $)
    噪声峰峰值/nT
    15.12±1/1044.70.15
    22.56±1/10451.06.45
    31.28±1/104464.623.79
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    表  4  系统响应速度的仿真条件

    Table  4.   Simulation conditions for system dynamic response speed

    仿真条件磁场频率/
    Hz
    磁场幅值/
    nT
    前置放大器
    增益
    1 bit ADC
    增益
    系统响应
    速度/(nT·s–1)
    仿真12105101$ 2\times {10}^{6} $
    仿真22105100.5$ 1\times {10}^{6} $
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    表  5  Sigma-Delta数字磁强计的性能对比

    Table  5.   Performance comparison of Sigma-Delta digital magnetometers

    探测任务量程/nT数字分辨率/bit噪声功率谱密度/(pT·Hz–1/2)@ 1 Hz非线性偏差
    DAWN±200015.821$ 3.3\times {10}^{-5} $
    THEMIS±40002025$ - $
    MMS±650(小量程)248$ 3\times {10}^{-5} $
    ±10500(大量程)100$ 6\times {10}^{-4} $
    Arase(ERG)$ \pm 8000 $(小量程)20$ 10.5 $$ 1.4\times {10}^{-3} $
    $ \pm 60000$(大量程)$ 1.8\times {10}^{-4} $
    1 bit DFM±100000244.7$ 8\times {10}^{-7} $
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-19
  • 录用日期:  2021-10-27
  • 修回日期:  2021-10-11
  • 网络出版日期:  2022-05-25

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